Теория Печчеи — Квинн

Тео́рия Печче́и — Квинн в физике элементарных частиц — самое известное решение сильной CP-проблемы, то есть экспериментально наблюдаемого отсутствия нарушений CP-инвариантности в квантовой хромодинамике (КХД). Теория предложена в 1977, её авторы — Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Механизм Печчеи — Квинн сводится к постулированию новой глобальной U(1)-симметрии.

Лагранжиан КХД может содержать так называемый θ-член, пропорциональный произведению напряжённостей глюонного поля и некоторой безразмерной константе θ. Этот член не нарушает перенормируемость КХД, однако нарушает CP-инвариантность, чего в действительности не наблюдается (например, в экспериментах по поиску электрического дипольного момента нейтрона). Печчеи и Квинн обнаружили, что если предположить наличие у лагранжиана КХД вышеуказанной глобальной U(1)-симметрии, соответствующей киральным преобразованиям кварковых полей, то из-за аномалии в дивергенции аксиального тока это приводит к возникновению в эффективном лагранжиане дополнительного члена, имеющего ту же структуру, что и θ-член. Постоянный множитель θ′ в нём безразмерен и пропорционален углу поворота кварковых полей. Для случая, когда все фермионы КХД (то есть кварки) обладают нулевыми массами, все процессы происходят одинаковым образом при любом значении фазы θ′ — поворот всех полей в дополнительном пространстве симметрии U(1) оператором exp(iθ′) на угол θ′ не приводит к экспериментально наблюдаемым последствиям. Это можно описать как существование бесконечного числа вырожденных вакуумов, отличающихся только значением θ′. Однако при появлении у кварков массы, вызываемого тем или иным динамическим механизмом (в частности, механизмом Хиггса) дополнительный член становится таким, чтобы в результирующем лагранжиане в точности скомпенсировать θ-член (то есть фаза θ эффективно становится равной нулю). Таким образом, выбор CP-сохраняющего значения θ = 0 происходит динамически, как следствие принципа минимального действия, а не случайно.

Существование глобальной симметрии Печчеи — Квинн U(1)_PQ приводит к возможности её спонтанного нарушения, в результате которого должен с необходимостью появляться (псевдо)голдстоуновский бозон. Частица, которая должна появляться в результате нарушения U(1)_PQ, получила название аксион. Она предсказана в 1978 году независимо Фрэнком Вильчеком и Стивеном Вайнбергом. На 2020 год аксионы остаются гипотетическими, экспериментально не наблюдавшимися частицами, однако они являются одним из наиболее предпочтительных решений проблемы тёмной материи, и их поиску посвящены сотни экспериментальных работ.

Ссылки

• Peccei R. D., Quinn H. R. CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles (англ.) // Physical Review Letters. — 1977. — Vol. 38. — P. 1440—1443. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.38.1440. — .
• Peccei R. D., Quinn H. R. Constraints imposed by CP conservation in the presence of pseudoparticles // Physical Review D. — 1977. — Vol. 16. — P. 1791—1797. — ISSN 0556-2821. — doi:10.1103/PhysRevD.16.1791. — .
• Высоцкий М. И. Аксион // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 36—37. — 707 с. — 100 000 экз.